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SoPC安全啟動(dòng)模型與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2021年電子技術(shù)應(yīng)用第12期

蘇振宇，徐崢，劉雁鳴

浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司安全技術(shù)部，山東濟(jì)南250101

摘要： 針對(duì)可編程片上系統(tǒng)(SoPC)在啟動(dòng)過(guò)程中面臨的固件被篡改、植入惡意代碼等安全威脅，提出一種安全啟動(dòng)模型。該模型由Boot ROM作為信任根，利用公鑰算法和對(duì)稱密碼算法對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中各固件鏡像進(jìn)行數(shù)字簽名，在SoPC上電啟動(dòng)后依次對(duì)各固件鏡像的簽名值進(jìn)行驗(yàn)證，從而建立起完整的信任鏈。在實(shí)現(xiàn)階段，利用Intel現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了兩種模式的安全啟動(dòng)功能。結(jié)果表明，該模型能夠應(yīng)用于實(shí)際的芯片開(kāi)發(fā)，滿足啟動(dòng)過(guò)程安全保護(hù)的需求。

關(guān)鍵詞： SoPC 安全啟動(dòng) FPGA 數(shù)字簽名固件

中圖分類號(hào)： TP309
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212073
中文引用格式： 蘇振宇，徐崢，劉雁鳴. SoPC安全啟動(dòng)模型與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(12)：22-25，30.
英文引用格式： Su Zhenyu，Xu Zheng，Liu Yanming. Design and implementation of SoPC secure startup model[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(12)：22-25，30.

Design and implementation of SoPC secure startup model

Su Zhenyu，Xu Zheng，Liu Yanming

Security Technology Department，Inspur Electronic Information Industry Company Limited，Jinan 250101，China

Abstract： Concerning the security threats such as firmware tampering and malicious code implanting in the startup process of system on a programmable chip(SoPC), a secure startup model is proposed. The model takes boot ROM as the trust root, and the public key algorithm and symmetric cipher algorithm are used to sign the firmware in each phase of the startup process. The digital signature value of each firmware image is verified in turn after SoPC is powered on, so as to establish a complete trust chain. In the implementation stage, the model is designed and verified by using Intel field programmable gate array(FPGA) development platform, and two secure boot modes are realized. The results show that the model can be applied to chip development to meet the requirement of secure startup.

Key words : system on a programmable chip；secure startup；field programmable gate array；digital signature；firmware

0 引言

可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SoPC)是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)^[1]，由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能，通過(guò)軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能使得設(shè)計(jì)方式具備可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)等靈活特性。在SoPC啟動(dòng)過(guò)程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，惡意軟件有可能會(huì)修改引導(dǎo)加載程序等固件，使SoPC受到Rootkit攻擊^[2]。Rootkit等惡意軟件通過(guò)修改系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，安裝到系統(tǒng)內(nèi)以達(dá)到持久駐留系統(tǒng)的目的^[3]，SoPC一旦受到Rootkit等惡意代碼感染，即使重新安裝系統(tǒng)也無(wú)法清除。因此有必要對(duì)SoPC進(jìn)行安全保護(hù)，防止在啟動(dòng)過(guò)程中固件被惡意篡改。安全啟動(dòng)對(duì)于保護(hù)設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和防止惡意軟件在系統(tǒng)上運(yùn)行至關(guān)重要。相關(guān)研究工作存在的問(wèn)題主要有：(1)采用外接可信平臺(tái)模塊(Trusted Platform Module，TPM)^[4]實(shí)現(xiàn)可信啟動(dòng)^[5]，該方式增加了硬件成本且系統(tǒng)集成度低；(2)在構(gòu)建信任鏈的過(guò)程中僅采用雜湊算法進(jìn)行度量^[6]，缺少驗(yàn)證的過(guò)程，因此安全性較低；(3)嵌入式系統(tǒng)上電時(shí)由最先啟動(dòng)的引導(dǎo)加載程序Boot Loader調(diào)用TPM對(duì)后續(xù)加載的模塊進(jìn)行度量^[7-8]，Boot Loader默認(rèn)是安全的，但Boot Loader一旦被攻擊篡改，整個(gè)信任鏈就處于非可信的狀態(tài)。

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作者信息：

蘇振宇，徐崢，劉雁鳴

(浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司安全技術(shù)部，山東濟(jì)南250101)

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